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油页岩39304850

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油页岩 39304850
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油页岩——石油最现实的接替能源姓名:张哲学号:10104604班级:光信 10石油最现实的接替能源姓名:张哲 学号:10104604摘要:随着石油、煤炭、天然气等传统能源价格不断上涨,除了炙手可热的太阳能、风能、生物能源、煤化工等新兴产业外,煤炭、石油开采等向纵深领域发展也逐渐受到重视,煤层气和油页岩资源开发悄然升温。油页岩又称油母页岩,和石油一样,主要由藻类等低等浮游生物经腐化作用和煤化作用而生成。油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。油页岩属于非常规油气资源,以资源丰富和开发利用的可行性而被列为 21 世纪非常重要的接替能源,它与石油、天然气、煤一样都是不可再生的化石能源,在近 200 年的开发利用中,其资源状况、主要性质、开采技术以及应用研究方面都积累了不少经验。关键词:油页岩;接替能源;可行性分析一、油页岩基本知识1、定义油页岩(又称油母页岩)是一种高灰分的含可燃有机质的沉积岩,它和煤的主要区别是灰分超过 40%,与碳质页岩的主要区别是含油率大于 油页岩经低温干馏可以得到页岩油,页岩油类似原油,可以制成汽油、柴油或作为燃料油。除单独成藏外,油页岩还经常与煤形成伴生矿藏,一起被开采出来。油页岩主要是由藻类等低等浮游生物经腐化作用和煤化作用而生成。一些微小动物、高等水生或陆生植物的残体,如孢子、花粉、角质等植物组织碎片,也参与油页岩的生成。油页岩是一种富含有机质、具有微细层理、可以燃烧的细粒沉积岩。油页岩中有机质的绝大部分是不溶于普通有机溶剂的成油物质,俗称“油母” 。因此,油页岩又称“油母页岩” 。油页岩是一种能源矿产,属于低热值固态化石燃料。一般地,国际上常以每吨油页岩能产出 (即 ) 以上页岩油的油页岩称为“油页岩矿” ,或 者将产油率高于 4%者的油页岩称为矿。过 去,我国将含油率在 5%以上的油页岩定为富 矿,并计算储量;含油率在 5%以下的油页岩 定为贫矿,不计算储量;也有将油页岩产 油率低于 6%者定为贫矿,高于 10%者定为 富矿。2、物理性状油页岩外观多呈褐色泥岩状,其相对密度为 页岩中的矿物质常与有机质均匀细密地混合,难以用一般选煤的方法进行选矿。含有大量粘土矿物的油页岩,往往形成明显的片理。3、组成主要包括油母、水分和矿物质。①油母。含量约 10%~50%(干基) ,是复杂的高分子有机化合物,富含脂肪烃结构,而较少芳烃结构。油母的元素组成主要为碳、氢,以及少量的氧、氮、硫;其氢碳原子比为 母含量高,氢碳原子比大,则油页岩产油率高。②水分。为 4%~25%不等,与矿物质颗粒间的微孔结构有关。茂名油页岩的水分含量较高,热加工过程中消耗较多的热量,且在干燥时易崩碎。③矿物质。主要有石英、高岭土、粘土、云母、碳酸盐岩以及硫铁矿等。含量通常高于有机质。4、油页岩识别参数页岩油很像石油,除了液态的碳、氢物质外,还含有少量氧、氮和硫的化和物。页岩油经过进一步加工提炼,可以制得汽油、煤油、柴油等液体燃料,具有与石油相同的作用。油页岩的识别参数包括含油率(ω) 、灰分(、发热量(、全硫含量(。 (1)含油率(ω):油页岩含油率是指油页岩中页岩油所占的质量分数,是界定油页岩矿产资源概念的指标,也是油页岩品位评价的关键参数,是为了评价油页岩的炼油适合性以及在低温干馏工业中鉴定油页岩性质,并预测各种产品产率。 (2)灰分(灰分是指 1g 油页岩分析样品在 800±10℃条件下完全燃烧后剩余的残渣重量。它既是区别高含碳油页岩与煤资源的关键指标,又是衡量油页岩质量的参数。该参数越低,油页岩的含油率增高,油页岩的质量越好。 (3)发热量(发热量是指单位重量的油页岩完全燃烧后所放出的全部热量,是评价油页岩作为工业燃料价值的重要参数。(4)全硫含量(全硫含量是指油页岩中这种硫分的总和,它是评价油页岩利用时潜在环境污染程度的重要指标。5、油页岩用途油页岩不但可提炼出各种燃料油类,而且还可炼制出各种合成燃料气体及化工原料,副产品还可用于制砖、水泥等建筑材料。归纳起来,油页岩有三种主要用途:(1)干馏制取页岩油及相关产品若将油页岩打碎并加热至 500℃左右,就可以得到页岩油。我国常称页岩油为人造石油。一般来说,1 吨油页岩可提炼出 38 至 378 公升(相当于 )页岩油。页岩油加氢裂解精制后,可获得汽油、煤油、柴油、石蜡、石焦油等多种化工产品。(2)作为燃料用来发电、取暖和运输首先是用来发电。利用油页岩发电的形式有两种。一是直接把油页岩用作锅炉燃料,产生蒸汽发电;另一种是把油页岩低温干馏,产生气体燃料,然后输送到内燃机燃烧发电。目前普遍采用前一种形式。其次,可以利用油页岩燃烧供暖。在 2001/2002 年度,爱沙尼亚利用油页岩发电和向居民、工业供暖所创造的效益分别占国家税收的 76%和 14%,对其国民经济具有重要意义。再次,可以利用油页岩燃烧带动发动机,用于长途运输。(3)生产建筑材料、水泥和化肥作为附加品,油页岩干馏和燃烧后的页岩灰主要用于生产水泥、砖等建筑材料。在德国,每年有 30 万吨油页岩用于水泥的生产。在我国,油页岩干馏和燃烧后的半焦灰渣用来制造砌块、砖、水泥、陶粒等建材产品。此外,油页岩还可以直接用于有机肥料的生产。如我国陕西铜川市汇源实业开发总公司就拟投资 1000 万元,利用印台地区现有的油页岩资源,在原有50000 吨磷肥生产线的基础上进行技术改造,建设年产 50000 吨油页岩有机复合肥的生产线。不同国家对油页岩的用途不同。在爱沙尼亚,油页岩主要用来发电和提炼页岩油;在巴西,油页岩主要用作运输燃料;在德国,油页岩主要用于制造水泥和建筑材料;在中国和澳大利亚,油页岩主要用于提炼页岩油和用作燃料;在俄罗斯和以色列,油页岩主要用于发电。二 从资源上看油页岩是接替天然石油最现实可行的能源1、世界资源量全球油页岩资源十分丰富,据不完全统计其蕴藏资源量约有 10 万亿吨,比煤炭资源量多 40%。世界页岩油储量超过 10 亿吨的国家有美国、俄罗斯、扎伊尔、巴西、摩洛哥、约旦、澳大利亚、爱沙尼亚和中国等,页岩油总量为 3741亿吨,预计全世界页岩油资源总量约为 4750 亿吨,比传统石油资源量(2710亿吨)多 50%以上。油页岩不仅资源丰富,而且分布相对集中。在美国,大约 75%的油页岩集中在科罗拉多州、犹他州和怀俄明州。按探明资源量排位,中国继美国、巴西、前苏联之后位居世界第四。中国油页岩探明资源量 315 亿吨,预测资源量 4520亿吨,约 85%以上分布在吉林、辽宁和广东省。油页岩的主要替代品为石油。世界石油资源分布极不均衡,据现有统计,全球石油可采储量的 38%分布于中东地区; 布于前苏联和北美地区;欧洲地区最少,不足 4%。此外,全球有待发现的经济可采石油资源,也主要分布于中东地区,所占比例约为 其次分布在前苏联、北美、中南美洲和非洲地区,均在 10%以上;而亚太和欧洲地区分别占 未来20 年世界石油资源增长主要来自中东、俄罗斯—中亚、南美、北非等 4 个地区。2、中国油页岩资源量情况我国是世界上油页岩资源储量最丰富的国家之一。我国的油页岩资源主要分布在东部区、中部区和青藏区。东部区油页岩资源为 吨,占全国油页岩资源的 48%;中部区油页岩资源为 吨,占全国油页岩资源的22%;青藏区油页岩资源为 吨,占全国油页岩资源的 17%;西部区页岩油资源为 吨,占全国油页岩资源的 10%;吨,占全国油页岩资源的 3%。新一轮全国油页岩资源评价结果显示,在我国埋深 1000m 以浅的油页岩资源储量为 吨,吨;页岩油资源储量为 吨,技术可采资源储量为 吨,可回收资源储量为 吨。这表明我国油页岩资源丰富,但勘探程度低。随着勘探工作的逐步深入,我国油页岩资源,尤其是查明油页岩资源量将大幅度提高,同时还会不断发现新的油页岩矿点。2004~2006 年,我国对油页岩资源进行了国内首次评价,查明地质资源量为 7199 亿吨,折合成页岩油为 476 亿吨。我国在煤炭开采过程中产生的油页岩达到近千万吨,仅抚顺西露天矿油母页岩每年排弃量就达 800 万吨,排弃占用大量耕地,严重影响了矿区周围的生态环境。 3、中国油页岩资源分布情况我国油页岩矿的含油率一般大于 5%,多在 6%左右。若按含油率 6%折算,我国页岩油的远景地质储量达 吨。已探明的储量折算成页岩油,至少有 吨。若按抚顺石油一厂、二厂的经验数据,每 33~35 吨油页岩生产1 吨页岩油折算,探明的油页岩储量 吨,可生产 吨油;预测储量 4520 亿吨可生产 吨油,两项合计为 142 亿吨。我国油页岩的分布比较广泛,但分布不均匀,主要分布于内蒙古、山东、山西、吉林、黑龙江、陕西、辽宁、广东、新疆等 9 省。由于勘探程度较低,目前仅在 14 个省(区)计算了探明储量,其中吉林、辽宁和广东的储量较多,合计约占全国探明储量的90%以上。有 21 个省(区)做了储量预测,内蒙古、山东、山西、吉林和黑龙江等省的预测储量大。三、 从开发技术上看开发利用油页岩现实可行油页岩页岩里富含石油 1、直接开采 直接开采包括露天和井下两种开采方式。露天开采适合于埋藏较浅的矿床开采,成本低,安全系数高,辽宁抚顺和广东茂名就是典型的例子。井下开采有竖井、水平坑道采矿两种方式,适合于埋藏较深的矿床。 直接开采是较原始的开采方式,局限性比较大,对生态环境的破坏也十分严重,主要表现在三个方面: 一是生态及水质破坏严重。无论是露天采矿还是井下采矿,都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下,开采 1 立方米油页岩,一般需要抽出 25 立方米的地下水;采矿水极大地增加了地表水、地下水中硫酸盐的含量。在巴西,油页岩采矿长期破坏着矿山及其附近的生态平衡和水位水质的稳定。 二是灰渣污染严重。通过直接开采得到的油页岩用于提炼页岩油或直接燃烧,产生大量灰渣,如果不回收利用则不仅会造成空气污染,且废弃灰渣占地面积大,其中金属元素和微量元素渗入地下水体,危害人们生产生活。 三是直接开采占地较多,一旦开垦就无法完全修复。 2、地下转化工艺技术(壳牌公司投入巨资研发出的开采油页岩及其他非常规资源的专利技术,对开发深部油页岩尤其有利。采油页岩的基本原理是在地下对油页岩矿层进行加热和裂解,促使其转化为高品质的油或气,再通过相关通道将油、气分别提取出来;将这些高品质的油(气)采集到地面进行加工后,可生产出石脑油、煤油等成品油。 该技术的突出优点是:提高了资源开发利用效率;减少了开采过程中对生态环境的破坏,即少占地、无尾渣废料、无空气污染、少地下水污染及最大限度地减少有害副产品的产生。尽管该项技术现在还未完全商业化,但关键的工艺、设备等技术问题都已解决,并在美国科罗拉多州和加拿大阿尔伯特省进行了商业示范。按照 2005 年 5 月每桶原油开发成本计算,传统的干馏技术为 20美元/桶,使用 术生产成本为 12 美元/桶,术成本低于传统的干馏技术,该技术在油价高于 25 美元/桶时可以盈利。 中国吉林省油页岩资源丰富,但大部分埋藏于平原耕地之下,或者埋藏较深,吉林省地质矿产勘查开发局与壳牌勘探有限公司于 2004 年 12 月 8 日签署合作框架协议书,根据壳牌公司在北美 术的研发及对吉林省油页岩资源的勘察情况,合资公司预计于 2006 年开始 术商业示范,2010 年后将开始全面商业运行。 油页岩的开采方式经过近两个世纪的发展,已取得许多成功的经验,并在不断改进,成熟的开采技术是油页岩工业崛起的有力保障。 油页岩着技术进步和环保意识的增强,油页岩资源从单纯的能源利用发展到综合利用,极大地提高了资源利用率,降低了成本,减少了环境污染,为资源的可持续利用提供了保障。 油页岩矿石采出之后,最先是作为能源而被使用的,即干馏炼油和作为燃料。油页岩干馏后的页岩油可作为燃料油出售,也可以通过加氢精制和非加氢精制的方法生产轻柴油,提高页岩油附加值,精制后的重油作燃料使用。油页岩做燃料主要是用来发电,即直接用作锅炉燃料或进行低温干馏产生气体燃料而发电,还可用于供暖和长途运输。2001,爱沙尼亚利用油页岩发电和向居民、工业供暖所创造的效益分别占国家税收的 76%和 14%,对其国民经济具有重要意义。干馏和直接燃烧产生的灰渣和废气有不同的用途,灰渣可以用来充填矿井、制取水泥或陶粒、制砖等,现在有很多成功利用页岩废渣的技术;废气可以作为燃料燃烧产生蒸汽后供生产、生活使用,也可以循环利用,为油页岩的干馏提供热源。 油页岩的使用主要集中在提炼页岩油和发电上,因此干馏工艺和燃烧锅炉的发展直接影响着使用效果, 降低成本、注重环保和充分利用资源的要求促进了油页岩利用技术的革新,主要表现在干馏工艺和燃烧锅炉的改进上。 1、干馏技术 目前,世界上许多国家都对油页岩干馏方法进行了研究,有的已形成工业化生产规模,中国、俄罗斯、爱沙尼亚的发生式炉及德国 处理量小,油收率较低,工艺不先进,但投资少,适用于小规模的页岩炼油厂;爱沙尼亚和美国 处理量较大,投资中等,适用于中等规模的油页岩炼油厂;爱沙尼亚 巴西 澳大利亚 处理量大,油收率高,产高热值煤气,投资高,适用于大、中型油页岩炼油厂。 2、燃烧锅炉的发展 油页岩作为燃料用于发电经历了漫长的研究开发过程,从油页岩悬浮燃烧与气化到油页岩流化床燃烧再到油页岩循环流化床燃烧,技术不断进步,效益不断提高,污染不断减少。 前苏联采用悬浮燃烧方式直接利用油页岩燃烧发电,20 世纪 50 至 70 年代先后在爱沙尼亚和波罗的海建立 3 座电厂,总装机容量为2415配锅炉出力为 65~320 吨/小时。但出现了很多问题:锅炉实际出力减小,炉膛结焦,受热面高温腐蚀,尾部受热面堵灰; 放量大,严重污染环境;制粉系统耗电量大,锅炉维修费用高,运行不经济;机组可靠性差,经常被迫停机,且停炉检修时很长等。 3、油页岩流化床燃烧技术 前苏联首次开发燃油页岩流化床锅炉,于 20 世纪 80 年代对爱沙尼亚、波罗的海电站锅炉进行了改造,广东茂名、辽宁抚顺也先后应用了油页岩流化床锅炉,其突出优点是减少了炉膛结焦的可能性,对流受热面上也没有严重积灰,烟气中 量小,燃烧过程中可以吸收大量硫,锅炉实际输出功率增大,飞灰不会粘污锅炉过热器和省煤器管束,锅炉热效率达 70%以上。实践证明油页岩流化床燃烧发电在技术上是可行的,但效率较低、经济效益较差。 4、油页岩循环流化床燃烧技术 循环流化床燃烧技术(效地提高了油页岩的利用率和锅炉的热效率,减少了污染气体的排放。它是油页岩发电最有利的燃烧方式,具有良好的煤种适应性、低温燃烧、燃用宽筛分颗粒,O 及 排放量非常低,锅炉的效率在 80%以上,这些突出的优点给油页岩能源利用和油页岩燃烧发电技术注入了新的活力,带来了新的机遇。中国、以色列等国在油页岩循环流化床燃烧发电的能源利用研究方面取得了成功经验,1989 年以色列建成首台半商业化油页岩循环流化床燃烧示范电站,采用芬兰 司的 50 吨/小时循环流化床锅炉。20 世纪 90 年代以色列采用 230 吨/时循环流化床锅炉建造一座燃用油页岩商业化电厂,1996 年吉林省桦甸油页岩示范热电厂采用 3 台东北电力学院研究制 65 吨/小时低倍率循环床油页岩电站锅炉,实现长期稳定运行。 油页岩的应用技术得到长足发展,给许多国家的经济发展做出了很大贡献。但不同国家油页岩主要用途差别较大,爱沙尼亚主要用来发电和提炼页岩油,近 40 年其电力生产的 99%主要依赖于油页岩,巴西主要用作运输燃料,德国主要用于制造水泥和建筑材料,中国和澳大利亚主要用于提炼页岩油和用作燃料,俄罗斯和以色列主要用于发电。 四、油页岩资源开发前景及发展趋势1、目前油页岩开发利用的局限性全球油页岩资源丰富,用途广,开发利用时间也较早,但并不被大多数国家所重视。这主要有两个方面的原因。(1) 生产页岩油和油页岩发电成本高油页岩的最大使用潜力是提炼页岩油。在传统石油供给不足时,页岩油可望成为石油的替代品;或者是在那些缺少石油资源或石油资源量不足的国家,为了降低对外依存度,可以用页岩油替代石油,满足本国建设的需要。然而,就目前的技术来看,油页岩提炼页岩油的成本要比生产或购买石油和其他燃料产品要高。爱沙尼亚 2000 年的经验显示,只有当原油的进口价高于 25 美元/桶、重油的进口价高于 95 美元/吨时,生产页岩油才有经济意义,页岩油才有可能替代传统的石油,满足世界对化石能源的需求。油页岩的第二大使用潜力是发电。爱沙尼亚 2000 年的经验显示,只有当煤的进口价高于 40 美元/吨、天然气的进口价高于 元/兆英国热单位(,用油页岩发电才是经济的。(2)对环境的污染较大油页岩的开采方式分地下开采和露天开采两种。无论是地下采矿还是露天采矿,都需要把地下水位降低到含油页岩层的层位以下,这样做会危害到矿山附近的耕地和森林。根据粗略估算,为了得到 1 立方米油页岩,一般需要抽出25 立方米的地下水。抽出的地下水在沉淀水中的固体颗粒后才能排到河里。系统监测显示,采矿水在很大程度上增加了地面、地下水和湖泊中硫酸盐的含量。在巴西,地下水水位和质量就长期被油页岩采矿所扰乱。用油页岩发电,除了采用燃烧较充分的沸腾炉外(德国、以色列掌握这种技术) ,还有一些采用研磨后燃烧的传统方式。研磨燃烧具有利用率低、高污染和高健康危害等不利特点,排除的气体中还有细的、可吸入的扬尘。这些扬尘中含有有毒物质,它们不仅危及电厂附近的环境,而且也影响到远离电厂的地区。另外,页岩油生产过程中放出的热、废水和半焦炭物质也可能引起环境问题。总而言之,在目前技术条件下,对油页岩的利用存在很大的阻力。在未来的若干年内,页岩油还不能代替原油、煤炭在化石燃料市场上的地位。2、油页岩前景广阔 在高油价时代,有关国家对油页岩的开发利用活跃起来。2007 年美国世界油页岩年会作出测算,当石油达到每桶 25 美元时,油页岩地下冷却干馏就可盈利,当油价达到每桶 35 美元时将油页岩开采出来采用加温干馏也可达到盈利点,由于这种技术采油率高,目前使用的较多。 美国国会于 2005 年通过了发展非常规能源的法案,掀起了油页岩干馏炼油的研发高潮。美国总统布什于 2008 年 6 月 18 日声明,支持发展油页岩,鼓励国会放开对批准页岩油试验用地的限制。美国内政部己批准了 6 项给予石油公司的土地矿产租赁项目,支持开展油页岩干馏炼油。美国科罗拉多矿业学院在2006 年、2007 年、2008 年连续召开了第 26 届、27 届、28 届国际油页岩会议,参与人员众多。当前,美国有 29 家公司正开展油页岩加工利用的研究,其中14 家公司开展地下干馏,11 家开展地上干馏的研发,2 家公司开展页岩油加氢制取轻质油品研究。上述这些公司大多数正处于实验室或数学模拟,或概念研究阶段,只有壳牌公司正在进行现场地下干馏的中试,还有一些公司正筹划开展实地试验,另有几家公司则在致力于干馏新技术的开发。   中国油页岩的开发利用起步较早,规模也比较大,但长期以来并没有明显进步。1959 年页岩油的产量达到 70 多万吨,占世界的 50%以上。1959 年辽宁抚顺年产页岩油 72 万吨,1953 年桦甸年产页岩油 5 万吨,1962~1992 年,广东茂名共生产页岩油 300 万吨。20 世纪 60 年代以后,由于中国常规油气田的大量发现,油页岩提炼油气成本相对较高,页岩油生产规模逐渐减小,并淡出油品市场,油页岩开发利用技术也止步不前。   近年来,由于上轮全球能源需求的增长和解决废弃油页岩环境问题的需要,油页岩的勘探开发面临新的机遇。抚顺、桦甸、罗子沟、黄县等老油页岩矿先后恢复了页岩油生产。2008 年,国内年产页岩油约 40 万吨,其中抚顺矿业集团油页岩炼油厂是目前中国正在运行的、最大的油页岩提炼厂,其产量达到 35万吨。    在油页岩利用技术方面,国内相关企业也开展了研究工作。针对现有抚顺炉单台装置处理能力小、油收率低、污染环境等缺点,抚矿集团于 2006年成立了"辽宁省抚矿集团工程技术研究中心",将油页岩综合利用作为重点,开发大型油页岩干馏新工艺和相应的生产装置,研发页岩油生产过程的废水、废渣的处理与循环利用技术。中煤集团支持其所属的龙江哈尔滨煤化工公司开展油页岩流化干馏炼油的中试(日加工油页岩 50 吨) ,已取得初步成功,日加工油页岩 2000 吨的工业试验装置的可行性研究报告已初步通过。中石油支持大庆油田采用大连理工大学开发的颗粒页岩固体热载体干馏技术,拟建设日加工2000 吨柳树河油页岩的工业试验装置。   中国油页岩资源储量丰富,在煤炭开采过程中也产生了大量油页岩,开发利用油页岩不仅可以缓解石油供需矛盾,还可以解决因废弃油页岩造成的环境问题,提高资源利用率。因此中国应该重视油页岩方面的研究,推动开发利用技术进步,加快油页岩行业发展。参考文献1、王红岩,刘振文,宁宁 《油页岩资源及开发工艺技术》 石油工业出版社2、朱亚杰主编:《油页岩科学研究论文集》 ,华东石油3、刘招君,董清水,叶松青等。 《中国油页岩资源现状》 ,吉林大学学报4、钱家麟,王剑秋,李术元。 《世界油页岩开发利用动态》 中外能源5、陈应泰,刘文彬 《国外油页岩利用的进展》 地球科学进展
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